Kvantni računalniki z nevtralnimi atomi imajo trenutek – svet fizike

Kvantni računalniki z nevtralnimi atomi imajo trenutek – svet fizike

Časovni žig: 9. november 2023 9:26

Fotografija optike, obsijane z zeleno in modro svetlobo
Vsi sistemi delujejo: žarek laserske svetlobe v laboratoriju Jeffa Thompsona na Univerzi Princeton, kjer je s kolegi pred kratkim demonstriral nov način brisanja napak v kvantnem računalniku z nevtralnimi atomi. (Z dovoljenjem: Frank Wojciechowski)

V tekmi za kvantno računalniško platformo prihodnosti so bili nevtralni atomi nekoliko slabši. Medtem ko imajo kvantni biti (kubiti), ki temeljijo na nevtralnih atomih, več privlačnih značilnosti, vključno z enostavnostjo povečevanja števila kubitov in vzporednega izvajanja operacij na njih, je večina pozornosti usmerjena na konkurenčne platforme. Številni največji stroji so zgrajeni s superprevodnimi kubiti, vključno s tistimi, razvitimi v IBM, google, Amazonin Microsoft. Druga podjetja so se odločila za ione, npr Honeywell in IonQ, ali fotoni, kot npr Xanadu.

V zadnjih nekaj tednih pa je več vpadljivih dogodkov potisnilo nevtralne atome proti sprednji strani paketa. Eden od njih je prišel iz zagonskega podjetja Atom Computing, ki objavljena konec oktobra da bo kmalu imela a 1000-kubitni nevtralni atomski stroj pripravljen za stranke – prva komercialna kvantna naprava, ki je prestala ta mejnik. Drugi so prišli iz treh skupin raziskovalcev, ki so objavili ločene študije v Narava opisujejo platforme nevtralnega atoma z nizkim šumom, novimi zmogljivostmi za ublažitev napak in velikim potencialom za povečanje na še večje število kubitov.

Za katero koli platformo qubit so največje ovire za robustne kvantne operacije šum in napake, ki jih povzroča. "Popravljanje napak je res meja kvantnega računalništva," pravi Jeff Thompson, fizik na univerzi Princeton v ZDA, ki je vodil ena od treh študij Skupaj z Shruti Puri univerze Yale, ZDA. "To je stvar, ki stoji med nami in dejansko dela uporabne izračune."

Razlog, da je popravljanje napak tako pomembno, je, da omogoča izračune, tudi če je osnovna strojna oprema nagnjena k šumu. Klasični računalniki uporabljajo preprosto strategijo odpravljanja napak, imenovano ponavljajoča se koda: shranjujte isto informacijo večkrat, tako da, če je v enem bitu napaka, bo "večina glasov" preostalih bitov še vedno kazala na pravilno vrednost. Algoritmi za kvantno odpravljanje napak so v bistvu bolj zapletene različice tega, a preden jih lahko platforma izkoristi, mora njihova strojna oprema izpolnjevati nekatere minimalne zahteve glede zvestobe. Za tradicionalne kvantne algoritme velja pravilo, da mora biti stopnja napake za najmanjšo enoto kvantnega računanja – kvantna vrata – pod 1 %.

Zmanjšanje hrupa

Raziskovalci pod vodstvom Mihail Lukin Univerze Harvard, ZDA, so zdaj poroča da je njihov kvantni računalnik z nevtralnimi atomi dosegel ta prag in dosegel stopnjo napake 0.5 %. Ta mejnik so dosegli z uvedbo dvokubitnih vrat na način, ki so ga uvedle ekipe v Nemčija in Francija, njihov stroj, ki so ga razvili s kolegi na sosednjem Massachusetts Institute of Technology (MIT), pa deluje takole.

Najprej se hlapi rubidijevih atomov ohladijo na tik nad absolutno ničlo. Nato se posamezni atomi zajamejo in zadržijo s tesno fokusiranimi laserskimi žarki v tehniki, znani kot optično pinceto. Vsak atom predstavlja en kubit, na stotine pa jih je razporejenih v dvodimenzionalni niz. Kvantne informacije v teh kubitih – nič ali ena ali kvantna superpozicija obeh – so shranjene na dveh različnih energijskih ravneh rubidijevih atomov.

Za izvedbo dvokubitnih vrat se dva atoma približata drug drugemu in ju hkrati osvetli laser. Osvetlitev dvigne enega od elektronov atoma na visoko energijsko raven, znano kot Rydbergovo stanje. Ko so v tem stanju, atomi zlahka komunicirajo s svojimi bližnjimi sosedi, kar omogoči delovanje vrat.

Da bi izboljšali zvestobo operacije, je ekipa uporabila nedavno razvito optimizirano zaporedje impulzov za vzbujanje dveh atomov v Rydbergovo stanje in njihovo vrnitev nazaj. To zaporedje impulzov je hitrejše od prejšnjih različic, kar daje atomom manj možnosti, da razpadejo v napačno stanje, kar bi pokvarilo izračun. Kombinacija tega z drugimi tehničnimi izboljšavami je ekipi omogočila doseganje 99.5-odstotne zvestobe za vrata z dvema kubitoma.

Čeprav so druge platforme dosegle primerljivo zvestobo, lahko kvantni računalniki z nevtralnimi atomi vzporedno izvajajo več izračunov. V svojem poskusu sta Lukin in njegova ekipa uporabila vrata z dvema kubitoma na 60 kubitov hkrati preprosto tako, da sta jih osvetlila z istim laserskim impulzom. »Zaradi tega je zelo, zelo poseben,« pravi Lukin, »ker imamo lahko visoko natančnost in to lahko počnemo vzporedno z enim samim globalnim nadzorom. Tega dejansko ne zmore nobena druga platforma.«

Brisanje napak

Umetniška risba petih krogel v liniji. Krogle predstavljajo atome; štirje atomi so rumeni, medtem ko eden od njih sveti rožnato
Odd atom out: Z iskanjem načina za prepoznavanje atomov v "napačnem" stanju in njihovo brisanje iz sistema so raziskovalci na Princetonu, Yaleu in Caltechu pokazali, kako narediti kvantne operacije učinkovitejše v strojih z nevtralnimi atomi. (Z dovoljenjem: Caltech/Lance Hayashida)

Medtem ko je Lukinova ekipa optimizirala svoj poskus, da bi izpolnila prag zvestobe za uporabo shem za popravljanje napak, sta Thompson in Puri skupaj s kolegi z Univerze v Strasbourgu v Franciji našla način za pretvorbo določenih vrst napak v izbrise in jih v celoti odstranila iz sistema. . Zaradi tega je te napake veliko lažje popraviti, s čimer se zniža prag za delovanje shem za odpravljanje napak.

Nastavitev Thompsona in Purija je podobna tistim ekipe Harvard-MIT, s posameznimi ultrahladnimi atomi, ki jih držijo optične pincete. Glavna razlika je v tem, da so namesto rubidija uporabili atome iterbija. Iterbij ima bolj zapleteno strukturo energijske ravni kot rubidij, zaradi česar je z njim težje delati, hkrati pa ponuja več možnosti za kodiranje kvantnih stanj. V tem primeru so raziskovalci kodirali "nič" in "ena" svojih kubitov v dveh metastabilnih stanjih, namesto tradicionalnih najnižjih dveh ravni energije. Čeprav imajo ta metastabilna stanja krajšo življenjsko dobo, bi številni možni mehanizmi napak izstrelili atome iz teh stanj v osnovno stanje, kjer jih je mogoče zaznati.

Možnost brisanja napak je velika prednost. Običajno, če ima več kot polovica bitov v kodi za ponavljanje napake, bodo posredovane napačne informacije. »Toda z modelom brisanja je veliko močnejši, ker zdaj vem, kateri biti so imeli napako, zato jih lahko izključim iz večinskega glasovanja,« pojasnjuje Thompson. "Torej potrebujem le, da ostane en dober košček."

Zahvaljujoč njihovi tehniki pretvorbe izbrisa so Thompson in sodelavci lahko odkrili približno tretjino napak v realnem času. Čeprav je zvestoba njihovih dvokubitnih vrat 98 % manjša kot pri stroju ekipe Harvard-MIT, Thompson ugotavlja, da so za pogon svojih vrat porabili skoraj 10 000-krat manj laserske moči, povečanje moči pa bo povečalo zmogljivost in hkrati omogočilo odkriti večji delež napak. Tehnika brisanja napak tudi zniža prag za popravljanje napak pod 99 %; v scenariju, kjer so skoraj vse napake pretvorjene v izbrise, kar bi moralo biti mogoče po besedah ​​Thompsona, bi lahko bil prag tako nizek kot 90 %.

Brisanje napak pri multipleksiranju

V povezan rezultat, so raziskovalci na Kalifornijskem inštitutu za tehnologijo v ZDA (Caltech) prav tako pretvorili napake v izbrise. Njihov stroj za nevtralne atome na osnovi stroncija je bolj omejena vrsta kvantnega računalnika, znanega kot kvantni simulator: medtem ko lahko vzbudijo atome do Rydbergovega stanja in ustvarijo zapletene superpozicije med osnovnim in Rydbergovim stanjem, ima njihov sistem samo eno osnovno stanje, kar pomeni, da ne morejo dolgoročno shranjevati kvantnih informacij.

Vendar pa so te zapletene superpozicije ustvarili z zvestobo brez primere: 99.9 %. Naredili so tudi ogromno superpozicijo, ki ni bila sestavljena le iz dveh atomov, ampak iz 26, in izboljšali natančnost tega dela tako, da so izbrisali nekatere napake. »V bistvu pokažemo, da bi lahko to tehniko smiselno prenesli na področje več teles,« pravi Adam Shaw, doktorska študentka v Skupina Manuela Endresa pri Caltechu.

Trije napredki skupaj prikazujejo zmogljivosti kvantnih računalnikov z nevtralnimi atomi in raziskovalci pravijo, da je njihove ideje mogoče združiti v stroj, ki deluje celo bolje od tistih, ki so bili prikazani do zdaj. »Dejstvo, da so vsa ta dela nastala skupaj, je malo znamenje, da bo nekaj posebnega kmalu,« zaključuje Lukin.

Časovni žig:

Več od Svet fizike